Stabile Atmosphärische Grenzschicht über Gebirgsgebieten

Aufgrund von unterdrückter Turbulenz und einer Vielzahl von Prozessen auf unterschiedlichen raumzeitlichen Skalen, die ihre Struktur beeinflussen, ist die stabile atmosphärische Grenzschicht (SAG) die am wenigsten verstandene Form der planetaren Grenzschicht. In gebirgigem Gelände spielt die SAG eine besondere Rolle für Schadstoffausbreitung, die Vorhersage von Minimumtemperaturen, Verkehrsmeteorologie (gefrierender Regen) oder Nebelvorhersage. Wegen Nicht-Stationarität und sporadischer Turbulenz (Intermittency), die aufgrund von wenig verstandenen organisierten nicht- turbulenten Strömungen (so genannten submeso und meso-gamma-skaligen Strömungen) unter Einfluss der komplexen Topographie entstehen, können Ähnlichkeitstheorie und andere konzeptionelle Beschreibungen der SAG nicht angewendet werden, was in schlechter Prognosequalität von numerischen Modellen resultiert. Die Interaktion von Prozessen auf unterschiedlichen Skalen wurde bis jetzt über gebirgigen Oberflächen weder systematisch über längere Zeiträume noch im Zusammenhang mit orographischen Einflüssen untersucht. Ein besseres Verständnis dieser Interaktionen wie auch die Identifikation von dominanten Einflussfaktoren für submeso und mesoskalige Strömungen wird dazu beitragen bessere Parametrisierungen zu entwickeln und damit die Vorhersage der SAG in Gebirgsgebieten zu verbessern. Die Grundannahme im vorliegenden Projekt ist, dass (i) Strömung aller (räumlichen) Skalen in der SAG im Gebirge vorhanden sind, (ii) dass diese signifikant zum vertikalen Austausch von Energie, Masse und Impuls beitragen und (iii) dass diese zumindest teilweise durch die Skalen der Topographie selbst bestimmt sind. Um die Interaktionen dieser Prozesse auf verschiedenen Skalen in gebirgigen SAGs zu untersuchen, soll ein einzigartiger Mehrjahres- Datensatz aus einem Netzwerk von Stationen im Inntal (A), der von Tal- bis Gebirgsstationen reicht, benutzt werden. In einem ersten Schritt wird eine Klimatologie der SAG-Turbulenz-Verhältnisse im Inntal erstellt. Dabei wird der Fokus auf nicht-stationäre, intermittierende Turbulenz und die zugehörigen (turbulenten) Flüsse sowie Turbulenzspektren an allen Station gelegt. Dies wird es ermöglichen Gebiete zu identifizieren, wo submeso-Strömungen die spektrale Lücke überbrücken können, und wo starke nächtliche Durchmischung oder besonders ausgeprägte sporadische Turbulenz auftritt. Darauf aufbauend soll eine Klimatologie der organisierten (nicht-turbulenten) Strömungen für unterschiedliche Zeitskalen erarbeitet werden. Dies wird einerseits anhand des traditionellen Wavelet-Ansatzes aber auch mit Hilfe einer erst kürzlich entwickelten neuen Methode zur Detektion von Ereignissen erreicht. Dabei sollen typische Arten von solchen Strömungen und deren Charakteristik auf allen Skalen identifiziert und deren Beitrag zum totalen vertikalen Austausch bestimmt werden. Drittens wird dann der Zusammenhang zwischen den Elementen dieser Klimatologien und mesoskaligen bzw. lokalen Einflüssen (atmosphärische Stabilität, Windscherung, Skalen der Topographie, etc.) herausgearbeitet um mögliche Antriebsmechanismen der organisierten Strömungen für unterschiedliche Zeitskalen zu isolieren. Schließlich werden an einer der Stationen zwei Feldkampagnen mit zusätzlicher räumlich fein verteilter Instrumentierung durchgeführt. Dieser zusätzliche Datensatz wird es ermöglichen die Resultate der obigen Charakterisierung zu überprüfen bzw. die physikalischen Wirkungsmechanismen zu testen. Dabei soll ein besonderes Augenmerk auf den Einfluss orographischer Skalen (lokale und mesoskalige Topographie sowie Hangneigung) auf die submeso-Strömungen (wie z.B. die Bildung von Schwerewellen oder Oszillationen im katabatischen Wind) gelegt werden.

Turbulenz ist eine der großen verbleibenden Herausforderungen in der Mathematik und Physik. Sie steuert jedoch, wie Energie, Masse und Impuls zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre ausgetauscht werden. Turbulenz in der Atmosphäre hat deshalb Auswirkungen auf vielfältige Bereiche, wie zum Beispiel das Klima, die Stärke von Hurricanes, Tornados und Föhn, Luftverschmutzung, Landwirtschaft, Gletscherschmelze und -abfluss und vieles mehr. Stabile Grenzschichten sind die am wenigsten verstandene Gruppe von Grenzschichten. Sie bilden sich während der Nacht oder über kalten Oberflächen, wenn die Strahlungsbilanz negativ ist. Stabile Grenzschichten zeichnen sich durch schwache Turbulenz und signifikante Wechselwirkungen mit Bewegungen auf räumlich-zeitlichen Skalen aus, die größer sind als die von Turbulenz. Über komplexerem Gelände, wie zum Beispiel im Gebirge, ist das Verstehen von Turbulenz aufgrund der horizontalen Heterogenität der Bergoberfläche und des Einflusses geländebedingter Strömungen auf die oberflächennahe Turbulenzstruktur besonders schwierig. Dieses mangelnde Verständnis von Turbulenz in komplexem Gelände und das Fehlen einer angemessenen statistischen Darstellung von Turbulenzeffekten in Gebirgsregionen führt zu einer erheblichen Unsicherheit in numerischen Wettervorhersagemodellen und anderen Anwendungen über komplexen Oberflächen. In dieser Studie wurde die Turbulenzstruktur überGeländeunterschiedlicher Komplexitätundmit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften untersucht. Wir haben Daten verwendet von Messstellen in flachen bis zu hoch komplexen Gebirgsgebieten, von Halbwüsten bis zu Gletschern. Es wurde gezeigt, dass die Turbulenzcharakteristik von der Gestalt der Turbulenz, der sogenannten Anisotropie, stark beeinflusst wird. Die Turbulenzanisotropie hängt andererseits stark davon ab, wie Turbulenz erzeugt wird: ob die Atmosphäre stabil oder instabil ist und ob eine große Änderung der Windgeschwindigkeit mit der Höhe auftritt. Insbesondere stabil geschichtete Turbulenz wird erheblich deformiert wenn die Windgeschwindigkeit schwach ist. Solche deformierte Turbulenz ist persistent und stimmt nicht mit bekannten statistischen Darstellungen von Turbulenz überein. Bei instabilen Tagesbedingungen wird die Turbulenz hingegen am wenigsten deformiert (isotrop) wenn die Windgeschwindigkeit schwach ist und die Auftriebskraft eine dominierende Turbulenzquelle ist. Es wurde gezeigt, dass Perioden mit der gleichen Art von Anisotropie ein ähnliches Verhalten aufweisen, unabhängig von der Komplexität der Oberflächen (Neigungswinkel, Eisoberfläche vs. Schuttbedeckung). Unter Berücksichtigung der Anisotropie zeigen die statistischen Turbulenzmerkmale aller komplexen Gebirgsgebiete daher die gleichen Beziehungen wie Turbulenz über ebenem Gelände. Dies kann in Zukunft dazu beitragen, eine universelle statistische Darstellung von Turbulenz in numerischen Modellen zu entwickeln, die das Potenzial hat, die Genauigkeit von Wetter- und Klimamodellen signifikant zu verbessern mit weitreichenden Folgen für die Beschreibung von Luftqualität, Landwirtschaft, Hydrologie, Massenbilanzen von Gletschern, Föhnvorhersage und vielem mehr.